电脑、灯泡、甚至人都产生热量，这些能量最后都被浪费掉了。使用一种热电装置就可以把热转化为电，反之亦然，这样，你就可以利用那些能量，否则就白白浪费了。这种热电装置被吹捧可用于新型高效冰箱以及其他冷却和加热机器。但是，如今这些设计的效率还不足以进行广泛的商业应用，或者它们是由罕见的材料制成，既昂贵又对环境有害。

　　加州理工学院（Caltech）的研究员们已开发出一种新型材料——由硅制成，硅是地球地壳中第二个最丰富的元素。这种材料可以制成效率更高的热电装置。这种材料（某种类型的纳米筛（nanomesh））由一种薄膜组成，该薄膜带有网格状排列的小孔。这种独特的设计使热量很难穿透材料，这就使该材料的导热系数降低到接近硅的理论限度。同时，该设计允许电流流动，就像在未经改造的硅中一样。

　　“从控制导热性的角度来说，这些都是相当复杂的装置。”詹姆斯•希斯（James Heath）说。希斯领导了这项工作，她是伊丽莎白W•吉路（Elizabeth W.Gilloon）教授，也是加州理工学院的化学教授。关于该研究的报道将发表在《自然•纳米技术》（Nature Nanotechnology）杂志10月刊上。

　　使热电材料能效更高的一个主要策略是降低导热系数，同时不影响导电性，导电性决定了电流穿过这种物质时的效果如何。希斯和他的同事们以前就利用硅纳米线完成了这项研究，硅纳米线比目前用于计算机芯片中的那些硅要细10 ~ 100倍。这种纳米线通过阻碍热流而起作用，但同时能让电子自由流动。

　　在任何材料中，热量都是通过声子传递，声子是一种量子化的振动包（类似光子），光子本身就是量子化的光波包。声子在材料上快速运动时，就把热量从一处传到另一处。由于尺寸微小，纳米线的表面积要比它的体积大很多。当声子将其表面和界面分散后，这些表面和界面就更难让声子通过纳米线而不会跳入歧途。结果，纳米线就抵制热流动但仍然具有导电性。

　　但是，制成的越来越细的纳米线仅仅在一定程度上有效。如果纳米线太细了，它就会有很多相当大的表面积，以致于电子也会散射，这就会导致导电性陡降，消除声子散射的热电效益。

　　为了应对这个问题，加州理工学院的团队用22毫微米厚的硅片制成一种纳米筛。（1毫微米等于十亿分之一米。）硅片被转化成一个网筛（类似一面微小的窗格子），带有一排11或16毫微米宽的小孔，这排小孔排列非常整齐，小孔间距仅34毫微米。

　　纳米筛没有使声子散射来穿过它，而是改变了声子的行为方式，从实质上减慢这些声子的运动。特定材料的性质决定了声子可以运动得多快，结果证明，至少在硅中，这种网状结构降低了这一速度限制。就声子而言，纳米筛已不再是硅。“纳米筛不再以硅的典型方式起作用。”斯洛博丹•密特罗维克（Slobodan Mitrovic）表示。他是加州理工学院化学博士后学生。密特罗维克和加州理工学院研究生于节堪（Jen-Kan Yu）是《自然•纳米技术》杂志上该研究论文的第一作者。

　　当研究人员比较纳米筛与纳米线时，他们发现，尽管表面积相对体积比率要大得多，但纳米线的热传导性仍是纳米筛的两倍。研究人员指出，导热系数降低而使声子进入纳米筛确实是因为声子速度的降低，而不是因为声子散射在纳米筛表面。这个小组对比了纳米筛与薄膜，也与网格状硅片（其尺寸大约是纳米筛的100倍）进行了对比。薄膜和网格硅片的热导率大约比纳米筛的热导率高10倍。

　　虽然纳米筛的导电率仍然相对正常，但是大块状硅的导热率就降至接近硅的理论值下限。研究人员说，他们可以使它的导热率进一步降低。“现在我们已经表明，我们可以使声子慢下来，”希斯说，“谁说我们不能使它们再慢点？”

　　研究者们正在尝试使用不同的材料和小孔排列，以优化他们的设计。“总有一天，我们会制成一种材料，不仅可以使声子慢下来，而且可以完全排除携带热能的声子。” 密特罗维克说，“这将是最终的目标。”